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USB 沿革與USB3.0介紹 (USB 3.0)

 
 

USB為通用序列匯流排(Universal Serial Bus)的簡稱,是目前個人電腦週邊產品最為廣泛使用的一種傳輸介面。USB介面 最初是由英特爾與微軟公司倡導發起,其最大的特點是支持熱插拔(Hot-Plug)和即插即用(Plug-n-Play),使用者可在不需重新開機的情況下安裝硬體特性,使用操作遠比透過擴充的 PCI 和 ISA 匯流排方便。 

過去PC外部主要的輸出入周邊設備,如鍵盤、滑鼠等都是低速裝置,掃描器和監視器的低階解析度,序列和並列串接埠足可應付。 1990年代以後周邊設備的質 (解析度和資料傳輸速度等)和量(周邊設備數目增多)同步提昇,既有介面連接方式已無法滿足需求。因此在1994年,Intel、Compaq、NEC、 Digital、Northern、IBM、Microsoft等七家公司成立了USB-IF(USB Implementers Forum),顧名思義即為共同協定串接PC與周邊設備的目標所成立的組織,並於1996年1月15日以Intel為首,正式制定USB1.0界面晶片組 的規範標準。

1998年USB 1.1傳輸介面被推出,統稱USB的連接介面。2000年英特爾發表USB2.0的正式規格,目前市面上已有眾多支援USB傳輸介面的電腦周邊產品,如行動碟、印表機、滑鼠等。USB1.1和USB2.0的差別在於傳輸速度。USB2.0(High-Speed)最大傳輸速度 (480Mbps)為USB1.1(Full-Speed)最大傳輸速度(12Mbps)的40倍,而2008年底定義完成的USB3.0(Super-Speed)傳輸頻寬達5Gbps,更是USB2.0的10倍,預計2009年第四季會有相關產品上市。

USB介面之所以被廣泛推廣,最重要的原因就是向下相容性,最新的USB3.0也承襲了這項優勢,USB3.0接口可以相容於舊式USB2.0與USB1.1裝置,使用者可以將既有的USB裝置安插在最新的 USB3.0接口,如此可以大幅加速USB3.0的普及性,此外USB3.0傳輸線增加一組差分信號線,並由原先的四根PIN增加為九根,電源輸出也從5V/500mA增加到5V/900mA,讓現行90%以上的的USB設備可以不再接額外的電源順利使用,再加上高達5G的傳輸速度使得USB3.0介面如虎添翼。在MAC麥金塔陣營逐漸減少對於1394 FirWire火線的關注時,USB3.0規格出現預期將會主導未來三年的消費性電子傳輸媒介。

USB3.0 Dual ports PCI Express Host Controller : ECU2300
USB3.0 Dual ports PCI Express Host Controller : USB2300

   
 
 
 
 
 
 
 
 
  USB 3.0 裝置端帶電源接口
 
USB介面可以提供電源輸出不稀奇,因為所有的主機(Host)端都可以提供至少5V/500mA電源,但是USB在裝置(Device)端也可以提供電才稀奇,USB3.0 新增此一最新的連接器,此一連接器源自USB3.0 Type-B 接口變化的規格,其增加了兩個PIN接角(如下規格的第10與11接角)可自USB 裝置竊電的特殊設計,總共可以承載5V/2A電流,也就是連接在USB裝置後的設備未來可以不用在外接電源供應,直接由USB設備取電。這項應用可以用在下面這個例子,例如USB介面印表機要連接UWB (WirelessUSB) Dongle做無線傳輸,目前應用必須對於印表機與Dongle給予分別的電源,相當的不便,未來可以使用此新定義Powered-B 連接口,僅要對於印表機提供電源,Dongle即可自印表機取電。
   
 
 

文獻參考來源: USB IF 協會 USB3.0 規格書

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USB3.0是USB2.0的延續,而USB3.0的商機有多大? 根據研究機構IDC的預估,2010年USB3.0晶片需求量為1,245萬顆,2011年則有機會一舉躍升至1億顆,2015年的出貨量將達23億個,商機上看千億元。

放眼當今的數位產品中,諸如電腦、手機、MP 3、MP4、數位相機…等,幾乎都有USB,用它來連接兩個裝置,傳送檔案資料或來充電,即插即用,但隨著要傳送的檔案內容從幾MB ,慢慢變成幾GB的時候,就會發覺傳送所需要的時間隨著檔案大來越大而變長,以目前最火紅的3D電影《阿凡達》來說,這樣一部高畫質藍光影片的檔案容量大約為25GB,如果使用USB2.0介面,將影片從電腦存取至外接式硬碟或記憶卡,可得花費14分鐘的時間,因此更高傳輸率的USB3.0就顯得非常需要了(只要70秒)。

USB是由一個叫做USB促進委員會(USB Implements Forum)於1996年所發佈,它具有支持Hot plug和隨插即用 (Plug&Play)兩大特性,第一代的USB1.0也隨即在1996年問世,傳輸速度1.5Mb/s;1998年升級到USB1.1,傳輸速度提升到12Mb/s;2000年4月,USB 2.0正式推出,速度提升到480Mb/s,是USB 1.1的四十倍;目前的USB3.0傳輸速率為 4.8Gbps 是USB2.0的十倍,而且依照其規格未來還將支持光纖傳輸,速度可再提升至25Gbps。

在速度的優勢之下,市場預估USB3.0將會率先應用於外部儲存市場,2010年起,USB3.0晶片會陸續應用到外接硬碟(HDD)、固態硬碟(SSD)、隨身碟、集線器、PC附加卡等其他裝置上。預計2011年可進一步拓展至手機、媒體播放器、相機、攝影機與各式可攜裝置;到了2012年,USB 3.0還可望拓展至視訊轉換盒(STB)、遊戲機、電視和各類無線傳輸裝置中。

註:USB(Universal Serial Bus) 通用串列匯流排,是連接外部設備的一個串列匯流排標準,在電腦上使用廣泛,是最通用的規格,也可以用在機上盒和遊戲機上,甚至許多工業儀器也是透過USB與電腦連結USB不僅可提供周邊設備資料傳輸,還可供電,On-The-Go隨插即用的特性更可使可攜式設備直接交換數據。

 

USB3.0介面USB 3.0 Promoter Group(由Intel微軟惠普、德州儀器、NEC、ST-NXP等業界巨頭所組成的)於2008年11月26日所發佈的;IntelAMD確認將會提供支援USB3.0的南橋晶片,加上微軟Windows 7也確定支持USB3.0,相信裝載USB3.0的電腦與數位裝置會逐漸取代USB2.0,成為基本配備。

USB3.0這樣的超高速傳輸介面,不但可為消費者帶來檔案傳輸的「飆速」體驗,還能提供雙倍電源供應,以及內建電源管理的機制。USB3.0規格的最高供電量,從USB2.0的500mA,一口氣提高到900mA。」換句話說,使用USB3.0介面作為充電接頭的電子用品,充電時間將可節省近一半以上。


不過,USB3.0的高傳輸量與高供電量特性,也代表著「高耗能」,因此業者在設計USB3.0控制晶片時,導入了智慧型節能設計,讓USB3.0介面在閒置時不會耗費任何電力。在進行低量傳輸時,就採低耗能模式;如果必須進行大量高傳輸時,才會切換至高耗能模式。USB3.0介面將會因應傳輸量的需求,隨時進行電源管理。

USB的應用來看,可以分成Host及Device端,Host端指的是一般電腦的主機上,而Device端指的是一般的USB隨身碟、手機USB連接線、MP3等產品。USB 3.0接口有標準A型、標準B型、迷你B型等三種,其中標準A型完全兼容USB 2.0設備,只不過接入後速度會降級,標準B型則不向下兼容,主要用於連接外接設備。USB 2.0屬於半雙工二線制總線,只能提供單向數據流傳輸,而USB 3.0採用了對偶單純形四線制差分信號線,可支持雙向並發數據流傳輸。

USB 3.0傳輸速度若以既有傳輸線材為基礎已無法滿足,因此USB 3.0改採線包覆的光纖藉以傳輸GHz等級的訊號。同時USB 3.0改良USB 2.0兩條對應數據輸入輸出無法同時工作的傳輸設計,USB2.0為四線結構,包含了電源、地線及兩對數據線,USB 3.0則增加4條線路總共8條線路,採用發送列表區段進行數據發包,其中兩條為數據輸出,兩條數據輸入,四條線路可雙向同時傳輸,加上接地線設計,可進一步實現全雙工效能,避免USB 2.0半雙工的單工通訊作業模式,有效提升USB數據傳輸效率。此外;USB 3.0還引入了新的電源管理機制,支持待機、休眠和暫停等狀態。

 

USB2.0的發展歷程,可以發現USB2.0技術從2004年4月推出後,在短短四年內,滲透率就超過八成。USB2.0之所以能在市場上迅速普及,關鍵就在於Intel迅速將USB2.0傳輸技術導入南橋晶片當中。南橋晶片可說是個人電腦中相當重要的元件,包括硬碟機、光碟機、音效、USB介面等控制晶片,都會彙整進南橋晶片中。正因為Intel的表態支持,USB2.0才能在PC市場快速滲透。

Intel可能會延遲到2011年才會推出支援USB3.0的南橋晶片。對於USB3.0商機能否在今年起飛,產生不少的疑慮。但一些週邊產品製造商現正積極尋求與在主端(Host)控制晶片已完成研發的NEC及 Fresco Logic的合作,如此一來,即使沒有Intel提供的南橋晶片桌上型電腦與NB依舊可以搶先支援USB3.0介面

國內不少IC設計業者相當看好USB3.0的發展,在USB設計論壇於2008年11月制訂USB3.0標準後,便積極投入相關研發工作。如IC設計服務大廠智原便與Fresco Logic結盟,共同推出主端USB3.0控制晶片,要搶先在全球晶片龍頭Intel前,搶得USB.3.0主端晶片商機。另外,像是創惟旺玖安國群聯USB IC設計公司也紛紛投入設備端(device)USB控制晶片的開發。

另外為了搶攻USB3.0記憶卡商機,去年(2009)工研院還特地找了鴻海創見威剛華碩典範等廠商,共同開發出全球第一片USB3.0薄型記憶卡主機板龍頭華碩在2010年CES展上,就展示了內含Fresco Logic USB 3.0主端控制晶片的主機板、NB。其他許多主機板與NB業者,也都採用NEC推出的控制晶片。惠普宏碁戴爾Dell)等PC品牌大廠也預計在今年第二季前推出支援USB3.0介面的個人電腦。而鴻海於2009年積極參與基礎專利開發,優先取得USB3.0產品相關專利認證,目前相關產品已準備就緒。

整體看來,外接式儲存裝置將是2010年USB3.0最主要的應用市場,USB3.0的應用將從外接式儲存裝置搶先引爆(包括外接式硬碟、固態硬碟、隨身碟、記憶卡等),接下來才會逐步擴散至筆記型電腦桌上型電腦手機等其他裝置。等到2011年時,Intel正式推出支援USB3.0的南橋晶片後,USB3.0在PC的滲透率也將一舉飆升,屆時USB3.0商機可望全面引爆。

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